大氣穩(wěn)定性大氣的穩(wěn)定性依賴于它抵抗垂直運動的能力。穩(wěn)定的大氣使垂直運動困難，輕微的垂直運動受到抑制后消失。在不穩(wěn)定的大氣中，輕微的垂直空氣運動趨向于變的更強，這樣就導(dǎo)致了紊亂的氣流和對流活動。不穩(wěn)定性會導(dǎo)致嚴重的紊流，廣闊的垂直云量，以及劇烈的天氣。 上升的氣流膨脹且變冷，是由于高度增加時氣壓的降低。下沉氣流則反之；隨著大氣壓力的增加，下沉空氣的溫度隨著它被壓縮而增加。絕熱加熱和絕熱冷卻就是用來描述這種變化的術(shù)語。【絕熱的意思在這里是指大氣溫度變化是在沒有熱量傳導(dǎo)的過程中因壓力的變化而產(chǎn)生的溫度變化?！?/p> 絕熱過程發(fā)生在所有的向上或向下運動的空氣中。當(dāng)空氣上升到一個低壓區(qū)域時，它會膨脹到一個更大的體積。當(dāng)空氣分子膨脹時【即空氣分子的平均間隔增大，而不是分子本身變大】，空氣的溫度會更低。結(jié)果是，當(dāng)氣塊【一定體積的空氣】上升時，壓力降低，體積增加，溫度降低。當(dāng)空氣下沉?xí)r，則反之也對。溫度隨著高度增加而下降的速度稱為溫度垂直梯度(lapse rate)。當(dāng)空氣在大氣中上升時，平均溫度變化速率是2攝氏度(3.5華氏度)每1000英尺。 由于水蒸氣比空氣還輕，潮濕降低了空氣的密度，導(dǎo)致它上升。相反地，當(dāng)濕度降低時，空氣變得更加密集而趨于下沉。由于潮濕的空氣變冷的速度更慢【潮濕空氣的熱容量更大】，一般它比干空氣更加不穩(wěn)定，原因是潮濕的空氣在冷卻到周圍的空氣溫度前必須上升的更高。干空氣絕熱溫度梯度(不飽和空氣)是3攝氏度每1000英尺。濕空氣絕熱溫度梯度范圍從1.1攝氏度到2.8攝氏度(2華氏度到5華氏度)每1000英尺。 濕度和溫度的結(jié)合確定了空氣的穩(wěn)定性和作為結(jié)果的天氣。冷的干空氣非常穩(wěn)定，能夠抵抗垂直運動，它會導(dǎo)致好的通常是晴朗的天氣。最大的不穩(wěn)定發(fā)生在空氣是潮濕而溫暖的時候，就像熱帶區(qū)域的夏天一樣。典型的，雷暴基本上天天出現(xiàn)在這些區(qū)域，就是因為周圍空氣的不穩(wěn)定性。 逆增隨著空氣在大氣中上升膨脹，溫度會降低。然而也會發(fā)生一種大氣異常情況，改變了這個典型的大氣行為模式。當(dāng)上升空氣的溫度隨高度增加而增加時，就發(fā)生了溫度逆增。逆增層通常是接近地面的很薄的一層平穩(wěn)空氣。空氣的溫度隨高度增加到某一點，即逆增層的頂部。逆增層頂部的空氣擔(dān)當(dāng)蓋子的作用，保持天氣和污染物截留在下面。如果空氣的相對濕度高，它會促進云，霧，薄霧，煙的形成，導(dǎo)致逆增層內(nèi)的能見度降低。 基于地表的溫度逆增發(fā)生在晴朗涼爽的夜晚，這時接近地面的空氣被地表的降溫而冷卻。地表幾百英尺內(nèi)的空氣變得比它上面的空氣更冷。當(dāng)暖空氣在一層較冷的空氣上擴展開來或者當(dāng)冷空氣被迫位于一層暖空氣的下方時，就會發(fā)生鋒面逆增。 濕氣和溫度大氣天然的就含有水蒸氣形式的水分。大氣中水分的多少依賴于空氣溫度。溫度每增加20華氏度，空氣中能容納的水分就增加為1倍。相反的，溫度降低20華氏度，水分容量會變?yōu)樵瓉淼囊话搿?/p> 大氣中的水有三種狀態(tài)：液態(tài)，固態(tài)和氣態(tài)的。所有這三種形式都可以容易的變化為另一種，都出現(xiàn)在大氣的溫度變化范圍內(nèi)。當(dāng)水從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時，就發(fā)生一次熱交換。這些變化是通過蒸發(fā)，升華，冷凝，沉積，熔解或者凝固過程實現(xiàn)的。然而，水蒸氣僅僅是通過蒸發(fā)和升華過程進入大氣的。 蒸發(fā)是液態(tài)水變?yōu)樗魵獾淖兓?。?dāng)水蒸氣形成時，它從最近的可用熱源吸收熱量。這個熱交換就是蒸發(fā)的隱形加熱。這種現(xiàn)象的一個很好的例子是身體的排汗蒸發(fā)。主要的印象是熱量從身體帶走后的變冷感覺。類似地，升華是冰直接變?yōu)樗魵獾淖兓耆^了液態(tài)狀態(tài)。雖然干冰不是水而是二氧化碳制成的，它能說明固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的升華原理。 相對濕度濕度是指在一個給定的時刻大氣中所含水蒸氣的多少。相對濕度是空氣中的實際水分量相對于那個溫度時空氣可以容納的總水分量。例如，如果當(dāng)前相對濕度為65%，即空氣在這個溫度和壓力時含有能夠容納的總水分量的65%。雖然美國西部的大部分地區(qū)很少看到高濕度的天氣，但是在美國南方溫暖的月份，相對濕度從75%到90%并不罕見。如圖10-20 溫度/露點關(guān)系露點和溫度之間的關(guān)系定義了相對濕度的概念。以度表示的露點是空氣不能再容納更多水分時的溫度。當(dāng)空氣溫度降低到露點時，空氣就完全飽和，水汽開始在空氣中凝結(jié)，以霧，露水，霜，云，雨，冰雹或者雪的形式出現(xiàn)。 當(dāng)潮濕的不穩(wěn)定空氣上升時，云經(jīng)常在溫度和露點一致的高度形成。當(dāng)升高時，不飽和空氣冷卻速度為5.4華氏度每1000英尺，而露點溫度降低速度為1華氏度每1000英尺。這就導(dǎo)致了溫度的收斂，即露點變化速度為4.4華氏度每1000英尺。在報告的溫度和露點數(shù)據(jù)上應(yīng)用收斂速度來確定云底的高度。 假設(shè)： 示例: 85-71=14 解釋: 地面環(huán)境溫度為85華氏度，而地表露點溫度為71華氏度，差值為14度。溫度露點差除以收斂速度4.4度，然后再乘以1000得出近似的云底高度。 確定空氣到達飽和點的方法如果空氣到達飽和點而溫度和露點非常接近，霧，低云或降雨就很可能形成。空氣可以有四種方式到達完全的飽和點。第一，當(dāng)暖空氣在寒冷地面上移動時，空氣的溫度會下降而達到飽和點。其二，當(dāng)冷空氣和暖空氣交匯時可能到達飽和點。第三，當(dāng)空氣在夜晚通過和較冷的地面接觸而冷卻時，空氣會達到它的飽和點。第四個方法是空氣升高或者被迫在大氣中上升時到達飽和點。 當(dāng)空氣上升時，它使用熱能來膨脹。結(jié)果是，上升的空氣快速的失去熱量。不飽和空氣散熱的速度是高度每增加1000英尺下降3攝氏度。不管是什么原因?qū)е驴諝獾竭_它的飽和點，飽和空氣都會帶來云，雨，和其他危險的天氣狀況。 露和霜在涼爽平靜的夜晚，地面溫度和地表上的物體會導(dǎo)致周圍空氣的溫度降低到露點以下。當(dāng)發(fā)生這種情況時，空氣中的水分會凝結(jié)且凝聚在地面，建筑物和其他物體如汽車和飛機上。這個水分就是眾所周知的露水，有時可以在早晨的草上看到。如果溫度低于冰點，水分將會以霜的形式沉積下來。而露水對飛機沒有危險，霜對飛行安全有確定無疑的危險。霜會破壞機翼上的氣流，能夠徹底的減少升力的產(chǎn)生。它也會增加阻力，當(dāng)同時產(chǎn)生的升力降低時，就會破壞起飛能力。開始飛行前，飛機必須徹底清除霜凍免受其影響。 霧根據(jù)定義，霧是從地表開始50英尺內(nèi)的云。它通常發(fā)生在接近地面的空氣溫度冷卻到空氣的露點時。 這是，空氣中的水蒸氣凝結(jié)，變成霧這種可見的形式。霧是按照它形成的方式來分類的，且依賴于當(dāng)前溫度和空氣中水蒸氣的多少。 在晴朗的夜晚，風(fēng)相當(dāng)小或者無風(fēng)時，可能產(chǎn)生輻射霧。如圖10-21。通常的，它形成在低洼的地區(qū)如山谷。這種類型的霧發(fā)生在地面由于陸地的輻射而快速冷卻的時候，而且周圍空氣溫度到達它的露點。隨著太陽升起溫度上升，輻射霧升高，最終消散。風(fēng)的任何增強都會加快輻射霧的消散。如果輻射霧小于20英尺厚，它就稱為地面霧。
當(dāng)一層溫暖潮濕的空氣在寒冷地面上移動時，很可能產(chǎn)生平流霧。不像輻射霧，形成平流霧需要有風(fēng)。15節(jié)以下的風(fēng)速讓霧形成和加強；超過15節(jié)風(fēng)速時，霧通常會升高，形成低層云。平流霧在沿海地區(qū)很常見，在那里海風(fēng)會把空氣吹向較寒冷的大陸。 在這些同樣的沿海地區(qū)，也可能發(fā)生滑升霧。當(dāng)潮濕穩(wěn)定的空氣被迫沿傾斜的陸地特征如山區(qū)上升時，就會發(fā)生滑升霧。這種類型的霧也需要風(fēng)才能產(chǎn)生和持續(xù)存在?；F和平流霧不象輻射霧，可能不會隨著早晨的太陽而消散，相反可能持續(xù)多天。他們也可能延伸到比輻射霧更高的高度。 蒸汽霧或者海霧形成在干冷空氣沿溫暖的水面移動時。隨著水的蒸發(fā)，它上升且類似煙霧。這種類型的霧于一年中最冷的時間在水體上很常見。低空紊流和結(jié)冰通常和蒸汽霧有關(guān)系。 冰霧發(fā)生在寒冷的天氣，那時溫度比冰點低的多，水蒸氣直接變成了冰晶。有利于它的形成條件類似于輻射霧，除了寒冷的溫度，通常是零下25華氏度或者更冷。它主要發(fā)生在北極地區(qū)，但是不知道在中緯度地區(qū)寒冷季節(jié)是否會發(fā)生。 云云是可見的指示物，而且通常也是將來天氣的預(yù)示。對于云的形成，必須有足夠的水蒸氣和凝結(jié)核，以及空氣可以冷卻的一個方法。當(dāng)空氣冷卻，到達它的飽和點，不可見的水蒸氣變?yōu)榭梢姷臓顟B(tài)。經(jīng)過沉積(也可以指升華)和凝結(jié)過程，水蒸氣凝結(jié)或升華成類似塵埃，鹽晶或者煙的稱為凝結(jié)核的微粒物。凝結(jié)核是非常重要的，因為它為水汽提供了一個從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的方法。 云的類型是根據(jù)它的高度，形狀，和行為來確定的。它們根據(jù)其云底高度分類為低云，中云，高云，和垂直擴展的云。如圖10-22
中云形成在大約距離地面高度6500英尺延伸到距離地面20000英尺高度。它們是由水，冰晶和過度冷卻的水滴組成。典型的中高度云包括高層云和高積云。在較高海拔高度越野飛行的時候可能會遇到這些類型的云。高層云會產(chǎn)生紊流，可能發(fā)生中度結(jié)冰情況。高積云通常形成在高層云散開時，也可能發(fā)生輕度紊流和結(jié)冰情況。 高云形成在距地面20000英尺以上高度，通常只在穩(wěn)定空氣中形成。它們由冰晶組成，產(chǎn)生沒有實質(zhì)危險的紊流或者結(jié)冰情況。典型的高空云是卷云，卷層云，和卷積云。 大范圍垂直擴展的云是積云，它們垂直的形成了高聳的積云或者積雨云。這些云的底部形成在低高度到中高度云底區(qū)域，但是可以擴展到高高度云層。高聳的積云表示大氣中不穩(wěn)定的區(qū)域，它們周圍和內(nèi)部的空氣是紊亂的。這些類型的云經(jīng)常發(fā)展成積雨云或者雷暴。積雨云包含大量水汽和不穩(wěn)定空氣，經(jīng)常會產(chǎn)生危險的天氣現(xiàn)象如閃電，冰雹，龍卷風(fēng)，強陣風(fēng)，和風(fēng)切變。這些大范圍的垂直云可能由于其他云的形成而變的模糊，不總是可以在地面上或者飛行中看到。發(fā)生這種情況時，這些云按照術(shù)語被稱為內(nèi)涵式雷暴。 云的分類可以根據(jù)外觀和云的組成進一步細分為特定的云類型。知道這些術(shù)語可以幫助你認識看到的云。 下面是一個云分類的列表：
對于飛行員來說，積雨云可能是最危險的云類型。它單獨或者成片出現(xiàn)，其名字要么是一個氣團或者地形雷暴?？拷乇淼目諝庾儫岙a(chǎn)生一個氣團雷暴；在山脈地區(qū)的空氣上坡運動導(dǎo)致地形雷暴。以連續(xù)線形式形成的積雨云是雷暴或者颮線的非鋒面帶。 由于上升的空氣流導(dǎo)致了積雨云，它們的氣流是非常紊亂的，對飛行安全是一個重要的危險。例如，如果一架飛機進入雷暴，飛機將會遇到每分鐘超過3000英尺的上升或者下降氣流。另外，雷暴還會產(chǎn)生大冰雹，破壞性閃電，龍卷風(fēng)和大量的水，所有這些對飛機都是潛在的危險。 在消散前，一個雷暴的發(fā)展會經(jīng)歷三個明顯的階段。它從積云狀態(tài)開始，其中空氣開始產(chǎn)生升力作用。如果有了足夠的水汽和不穩(wěn)定性，云量會繼續(xù)在垂直高度上增加。持續(xù)的上升氣流阻止了水汽的降落。上升氣流區(qū)域變得比推送雷暴的單獨的上升熱氣流還要大。在大約15分鐘內(nèi)，雷暴達到了它的成熟階段，這是雷暴生命周期中最猛烈的階段。這時，水分的下降，不管是水還是冰對于云層來說都太重而不能支撐，開始以雨或者冰雹的形式下落。這產(chǎn)生了空氣的向下運動。溫暖的上升空氣；冰冷的含有降雨的下降空氣；以及猛烈的紊亂氣流都存在于云內(nèi)或附近。在云的下方，向下急流的空氣增加了地面風(fēng)，且降低了溫度。一旦接近云頂部的垂直運動慢下來，云的頂部就會散開來呈現(xiàn)砧骨的形狀。這時，暴風(fēng)雨進入了消散階段。這時下降的氣流分散開來取代了維持暴風(fēng)雨所需的上升氣流。如圖10-23
云幕高度在航空的用途上，云幕高度是被通報為多云的或者陰天的，或者垂直能見度開始昏暗而類似霧或者陰霾的云的最低高度。當(dāng)八分之五至八分之七的天空被云覆蓋時，則報告為云是破碎的。陰天的含義是整個天空被云覆蓋了。當(dāng)前云幕高度信息是由航空日常天氣報告(METAR)或者各種自動天氣站通報的。 能見度和云量以及通報的云幕高度密切相關(guān)的是能見度信息。能見度是指裸眼能夠看到明顯物體的最大水平距離。當(dāng)前能見度也在METAR和其他航空天氣報告中通報，還有自動天氣站。由氣象專家預(yù)測的能見度信息在飛行前天氣簡報中也可以獲得。 降水降水是指在大氣中形成且降落到地面的任何形式的水的微粒物。它對飛行安全有深刻的影響。根據(jù)降水的不同形式，它會降低能見度，產(chǎn)生結(jié)冰條件，以及影響飛機的著陸和起飛性能。 降水發(fā)生是因為云中的水或者冰粒逐漸增大，直到大氣不能再支持它們。它落向地面時會以好幾種形式出現(xiàn)，包含細雨，下雨，冰粒，冰雹，和冰凍。 細雨被分類為非常小的小水滴，直徑小于0.02英寸。細雨通常伴隨著霧或者低層云出現(xiàn)。較大的小水滴就是指雨。在大氣中降落但是在滴到地面之前蒸發(fā)掉的雨稱作雨幡。當(dāng)?shù)孛鏈囟鹊陀诒c時，就會發(fā)生結(jié)冰雨或者冰毛毛雨；雨在接觸到更冷的地面時結(jié)冰。 如果雨降落通過溫度逆增層，它可能會在經(jīng)過下面的冷空氣時結(jié)冰，且以小冰粒的形式降落到地面。冰粒是溫度逆增的跡象，結(jié)冰的雨存在于更高的高度上。在冰雹的情況下，結(jié)冰的小水滴被云里的氣流攜帶的忽上忽下，它們和更多的水分接觸后逐漸變大。一旦上升的氣流不能維持結(jié)冰的水滴，它就會以冰雹的形式降落到地面。冰雹可能是豌豆大小的，也可能逐漸變到直徑5英寸大，比一個壘球還大。 雪是一種冰晶形式的降水，它以穩(wěn)定的速度降落，或者已開始下鵝毛大雪，強度逐漸變化，最后很快結(jié)束。降落的雪花的大小也會變化，呈非常小的雪?！久籽炕蛘叽笱┗ㄐ问?。米雪在大小上和毛毛雨相當(dāng)。 任何形式的降雨對飛行安全都是一個威脅。通常，降雨伴隨著低云幕高度和降低的能見度。有冰，雪或者霜在其表面的飛機在開始一次飛行前必須被仔細的清除，因為氣流可能被破壞而失去升力。雨也會促使油箱進水。降雨還會使跑道表面產(chǎn)生危險，由于雪，冰，積水和打滑的表面使得起飛和降落困難。 |
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